織物基頻率選擇表面材料的制備及應用

關福旺，肖 紅，施楣梧, ，王府梅

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010)

織物基頻率選擇表面材料的制備及應用

關福旺1，肖 紅2，施楣梧1, 2，王府梅1

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100010)

通過分析傳統頻率選擇表面的研究現狀，闡述了研究新型織物基頻率選擇表面材料的必要性。采用導電膠涂層印花的方法制備了圓環形織物基頻率選擇表面樣品，在18～26.5 GHz頻段采用屏蔽室法測定其透射系數，對比分析了圓環內徑、金屬層導電性、涂層厚度對電磁波透射的影響規律。相關實驗結果證實研究織物基頻率選擇表面材料的可行性與有效性。將實測與仿真結果作對比發現，傳統的設計手段在一定程度上也適用于織物基頻率選擇表面材料。基于頻響特性及紡織材料質輕、柔軟、低剛度的特性，探討了織物基頻率選擇表面材料在吸波材料、電子織物天線、通信窗等領域的應用前景。

頻率選擇表面；透射系數；頻響特性；電磁功能織物；金屬化工藝

電磁波在傳輸時攜帶信息和能量，使其在通信、遙感、空間探測等諸多軍事和民用領域得到了廣泛應用，但與此同時也會給人類帶來危害。已有較多文獻系統地研究了電磁屏蔽的標準、技術及產品[1-3]。對于個體防護而言，電磁防護服無疑是最后一道防線，經過多年的研究發展，已出現了導電高分子涂層或表面鍍覆金屬的纖維及織物、含金屬纖維或金屬化纖維的織物產品，研究思路是通過金屬化手段使紡織品成為連續致密的導電體，獲得類似導電板材或膜材的屏蔽效能[4]。然而，紡織品的使用優勢主要體現在其質輕、柔軟、透氣透濕等方面，尤其穿著用紡織品，因此通過增加導電體含量提高屏蔽效能與保持紡織品舒適性成為了不可調和的矛盾，嚴重制約了其應用前景，急需設計和開發兼具2種特性的新型電磁屏蔽紡織品。

事實上，由于織物表面粗糙不平，經緯紗交織有一定的密度，利用傳統工藝制備的鍍覆金屬或者含金屬纖維混紡的織物并不可能和金屬板材完全相同，表面或內部均具有細微的孔洞結構，但是相鄰導電體的間距較小，其耦合作用導致電磁屏蔽紡織品沒有出現明顯的電磁泄露，呈現出較理想的屏蔽效能[5]。相關學者在探討電子設備間的電磁干擾問題時，對具有孔洞縫隙的金屬板材的屏蔽效能做了估算發現，電磁泄露與孔徑類型、尺寸及排列方式有關，且不同頻段的電磁泄露值不同[6-7]，因此，開孔在滿足一定條件時不會顯著影響良導體板材的電磁屏蔽效能，尤其是針對特定頻段的屏蔽。

適當增加開孔結構，減少使用金屬材料的質量，亦可使電磁屏蔽效能達到要求，這一發現將為電磁屏蔽織物的研究帶來新方向。紡織品具有特有的周期結構，因此研究周期性開孔的電磁防護面料的屏蔽效能顯得更為重要，相關研究需深入了解電磁波與孔洞結構相互作用的機制。在物理學中，存在一類結構是頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)，它是由周期性導電單元構成，可選擇性地屏蔽電磁波，而被屏蔽波的頻率與周期導電花型的幾何參數密切相關[8]。依據電磁屏蔽紡織品的使用環境，通過合理的優化設計，將紡織品加工成類似FSS的結構，基本可實現傳統的電磁屏蔽效能。

以改善傳統電磁屏蔽面料的舒適性為出發點，可將具有幾何孔洞特征的FSS應用于柔性織物。實際上，采用不同種類及結構參數的FSS可分別實現帶通、帶阻、高通或高阻的特性，對不同頻段的電磁波作用并非單一，故廣譜電磁屏蔽只是其中的一種作用形式[8]。如果把織物基FSS作為電磁場中的一類介質，起到空間濾波器的作用，有效地調控電磁波的傳輸，這將打破單一電磁屏蔽的局限，并拓寬電磁功能紡織品的應用范圍。長期以來，以柔性紡織材料為載體的FSS研究甚少，而相較于致密剛性板材，紡織品柔軟、質輕、易彎曲等特點也將使其在特定領域有較好的使用優勢。

本文介紹了FSS的研究基礎，采用涂層印花實驗實現了圓環形織物基FSS，并對其電磁波透射特性測試分析，得出相關結論。綜合頻率選擇特性與紡織品固有特點，探討織物基FSS的應用前景。

1 FSS的研究基礎

設計和開發織物基FSS，需要深入地了解FSS的基本概念和性能，有效地掌握設計準則和成形方法，全面地總結現有織物基FSS的研究情況。以傳統FSS研究為基礎，可對織物基FSS的設計和開發提供理論參考和技術指導。

1.1 FSS的基本特性

FSS是由周期性排列的導電貼片單元(貼片型)或者在導電屏上周期性排列的開孔單元(透孔型)構成，它的透射及反射特性表現為電磁波頻率的函數，具有調控電磁波傳輸的能力。2種類型FSS與電磁波相互作用，分別表現出帶阻或帶通的特性，如圖1所示。傳統的FSS是典型的二維電磁周期結構，但廣義的FSS也包含了一維和三維陣列結構[8]。

圖1 2種FSS透射曲線Fig.1 Transmission curves of two kinds of FSS.(a) Patch FSS; (b) Aperture FSS

FSS在可見光、紅外、微波段均有應用，經常被用到雷達天線罩、多頻段天線的副反射面、遠紅外頻段下的極化器、光束分離器、紅外頻段下的濾波器等[9]。

1.2 FSS的研究現狀

1.2.1 FSS的設計及成形方法

麥克斯韋方程揭示了物質的電磁參數能夠決定電磁波的傳輸特性，而決定FSS電磁參數的因素，如單元形狀及尺寸、單元間距、單元導電性等也基本確定了宏觀的電磁波透通特性，另外介質基體加載、電磁波入射角度及極化方式等也會產生影響[8-9]，因此FSS的設計要解決的是找尋方法確定各結構參數和物理參數。

關于FSS的設計，除參照經驗公式外，數值計算和理論仿真也逐漸成為重要的設計手段，可快速確定參數范圍，節省時間和成本，尤其適用于新型FSS單元的設計。數值計算主要有近似方法(變分法、等效電路法、點匹配法、多模等效網絡法等)和全波分析方法(互阻抗法、模式匹配法、譜域Galerkin方法、有限元法、矩量法、時域有限差分法、頻域有限差分法等)；基于相關算法開發的商業軟件同樣可用于計算電磁波透通特性，如CST軟件，HFSS軟件，FEKO軟件，XFDTD軟件等。理論計算方法適用于優化設計新單元、定量分析參數影響及探討濾波機制等領域，但復雜的公式導致其專業性較強[11]。

傳統FSS成形方法主要有印刷電路板(PCB)、粘貼工藝、銀墨水印刷、電腐蝕或者激光刻蝕、立體打印等技術[12-13]，但這部分在文獻中詳細的報道很少。采用上述幾種方式得到的產品硬度和剛度較大，主要集中于復合板材。當然也可采用化學方法構筑微納米點陣，實現對高頻電磁波的控制等。

1.2.2 織物基FSS的研究現狀

國內外眾多科研機構均有涉及FSS的研究工作，主要集中在新單元(復雜花型、分形結構)的設計、多層級聯及立體FSS的特性、模擬和數值求解 (HFSS、CST、FDTD、等效電路)以及在雷達罩和陣列天線的應用等方面[14-16]。

針對柔性紡織品這一載體的研究很少，已出現的研究工作系統性較差。R.D.Seager和A.Chauraya等利用電腦繡花、絲網印刷、噴墨打印、機織等技術實現織物基FSS結構[17-18]；韓國科學技術院Sang-Eui Lee等通過碳纖維和介電纖維交織形成周期花型，實現織物對電磁波的頻率選擇特性[19]；美國陸軍納提克士兵研究和工程開發中心Michael Ghebrebrhan等提出了“紡織品超材料”的概念，研究工作是將金屬絲加入到滌綸紗線中得到復合紗，通過一定的加工手段得到機織物和針織物，構造類似開口諧振環結構，獲得超材料特性[20]；總后勤處軍需裝備研究所施楣梧等提出“電磁波頻率選擇透通紡織品”的概念[21]，給出了較好的研究思路，需要深入細致的實踐。

對于織物基FSS的研究，雖出現了一定的研究工作，但設計方法和實際成形手段均未體系化，有待于進一步完善。如何針對不同需求展開設計，并尋找精準有效的成形手段，如何建立合理的評價體制，并基于實驗樣品進行產品開發，這些問題都值得研究者關注。

2 織物基FSS的實現

本文采用導電膠涂層印花的方式實現了圓環形織物基FSS，通過測定樣品透射系數的變化并加以對比分析，探討圓環內徑、金屬層導電性與厚度對頻響特性的影響規律。進一步通過與傳統FSS仿真的結果對比發現，傳統設計方法在一定程度上適用于織物基FSS。

2.1 實驗部分

2.1.1 實驗材料和儀器

片狀銀包銅粉(銀鍍層占總質量比約4%)；聚氨酯涂層印花膠料；經堿減量處理的滌綸織物(經緯紗線密度均為14.8 tex；經密為286根/10 cm；緯密為224根/10 cm；面密度為178 g/m2；厚度為0.48 mm)；數字式厚度計；介電常數測試儀(4396B網絡阻抗頻譜分析儀、43961A阻抗適配器及16453A介電常數測試夾具)等。

2.1.2 實驗設計

圖2示出貼片型和孔徑型圓環FSS結構單元的示意圖。圖中Dx和Dy是單元尺寸，Dx=Dy=12 mm，R代表圓環的外徑，r代表圓環的內徑，灰色區域代表導電區域，而白色部分不導電。

圖2 2種圓環形結構單元示意圖Fig.2 Two kinds of circular-ring-shaped structural units.(a) Patch type; (b) Aperture type

為探討結構尺寸、金屬層的導電性及厚度對頻響特性的影響，各因素分別采取不同水平值進行設計對比，圓環內徑取2、3、4 mm，銀包銅粉含量取25%、30%、35%，涂層厚度取20、40、60 μm。表1示出了具體的實驗方案。

表1 導電漿涂層印花實驗Tab.1 Conductive adhesive coating printing experiment

2.1.3 實驗過程與測試

首先將銀包銅粉和聚氨酯膠料按照相應的質量比均勻混合，形成復合導電印花漿，采用絲網印刷的方式涂覆至織物表面。通過感光法制備具有相應周期花型的滌綸絲網；利用刮刀將導電漿印制在織物表面，控制均勻的速度和壓力(為獲得不同的涂層厚度，可改變刮膠的次數)，在織物上形成周期的導電圓環花型；常溫固化5 h，使印花漿在織物表面牢固結合，得到尺寸為300 mm × 300 mm的樣品。

透射系數由屏蔽室法測得，平面電磁波垂直入射樣品，測試頻段為18～26.5 GHz。測試過程及原理已在文獻[22]中較詳細地闡述。

2.2 結果分析和討論

表1中每組樣品都有貼片型與孔徑型2種互補結構，故總共有7 × 2=14個樣品。通過對比分析樣品的透射系數，可得出結構參數和材料參數對頻響特性的影響。

2.2.1 圓環內徑的影響

通過對比分析樣品1、2和3的透射系數可看出，在其他因素不變的情況下，圓環內徑對電磁波透通性能的影響如圖3所示。隨著圓環內徑的增大，2種形式的FSS的諧振頻率均往低頻移動，而諧振頻率略有差別。這是因為隨著內徑的增大，環間耦合的電容在逐漸增大，根據LC振蕩電路可知，此時諧振頻率減小。對于貼片型，諧振頻率依次為22.591、21.145、19.275 GHz，諧振峰值分別為-7.653、-8.914、-11.278 dB；對于孔徑型，諧振頻率依次為20.975、20.295、18.34 GHz，諧振峰值分別為-7.155、-6.975、-8.143 dB。

圖3 圓環內徑對透通性能的影響Fig.3 Influence of inner diameter on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

如果將90%的電磁波被屏蔽或者透過作為貼片型和透孔型FSS的閾值，則應使用透射系數小于-10 dB和大于-0.5 dB對應的頻率區間作為帶寬進行評價。若以此為據，顯然圖3中曲線形態并非十分理想，且2種互補形式的FSS的測試曲線并非完全對稱，這二點應該是由于樣品制作過程中誤差較大，導電材料并非理想導體，樣品尺寸非無限大等原因造成的。

2.2.2 銀包銅粉含量的影響

將樣品4、5和1的透射系數作對比分析，可得到FSS層導電性對透通性能的影響，結果如圖4所示。當銀包銅粉的含量在25%時，透射系數曲線幾乎沒有諧振峰出現，而當導電粉體含量為30%和35%時，出現了較明顯的諧振峰，且諧振峰值有增大的趨勢，尤其是孔徑型FSS。

圖4 導電粉體含量對透通性能的影響Fig.4 Influence of conductive powder content on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

隨著銀包銅粉含量的增大，樣品的頻率選擇特性會增強，原因是電導率大的材料對電子的阻礙作用小。根據FSS產生的諧振機制，入射電磁波對金屬中電子產生振動，如果入射電磁波的能量完全轉化為電子振動，則產生了諧振。金屬中電子振動與束縛作用有關，電子束縛作用越小電子越易產生振動，所以對電磁波損耗就越大。在后期的產品研發過程中，為增強產品的頻率選擇特性，應該盡量增強導電體的導電性，當然還要結合成本和加工難度等因素綜合考慮。

2.2.3 涂層厚度的影響

固定單元的結構尺寸和銀包銅粉的含量，改變刮膠次數可制得不同涂覆厚度的樣品。圖5示出了樣品1、6和7的透射系數曲線，從圖中可看出涂層厚度對電磁波透通性能的影響。隨著厚度的增加，樣品的頻率選擇特性逐漸增強，尤其是當厚度由20 μm增大到40 μm，透射曲線產生了明顯的“跳躍”。

圖5 涂層厚度變化對透通性能的影響Fig.5 Influence of coating thickness on transmission characteristics.(a) Patch type; (b) Aperture type

將FSS層的導電性和涂覆厚度綜合考慮，可使用方阻進行表征。電阻率、厚度及方阻間的換算關系如下。

式中：Rw代表導電體的方阻；ρ代表導電體的電阻率(數值上等于電導率的倒數)；d代表導電體的厚度。從上式可知，固定電阻率或者電導率不變，增大涂覆厚度，使得方阻減小，此時頻率選擇特性增強。該公式同樣適用于探討銀包銅粉含量的影響，固定涂覆厚度不變，增大導電粉體含量，導致電阻率減小，從而使得方阻減小，頻率選擇特性增強。綜合二點來看，FSS層的導電性及厚度均會對頻響特性產生影響，在分析和討論時，可采用方阻來表征二者的復合作用。

涂層印花實驗探索了圓環內徑、導電粉體含量及涂覆厚度對透通性能的影響，得到了一些基本的影響規律，證實了研究織物基FSS的可行性與有效性。在此基礎上，后續研究應擴大結構參數的范圍(R，Dx，Dy等)，并分析參數對頻響特性的影響機制；加強對比實驗，量化FSS層的方阻并確定其閾值(當方阻處于某一數量級時，進一步減小方阻對頻響特性影響不大)；探討基底織物的介電特性對產品頻率選擇特性的影響等。

2.2.4 實測與仿真結果對比分析

由于FSS結構單元及影響參數的多樣性，在實際產品開發過程中會出現需設計不同花型，改變諧振頻點位置，選擇不同織物基底等多樣化需求，此時普適的設計方法顯得特別重要。

利用高頻仿真軟件HFSS仿真傳統FSS的方法，將基底織物等效為具有相同介電常數和厚度的致密板材，把FSS層設置為理想導體，并使用主從邊界條件將單元無限大地周期性重復。仿真的單元結構對應于樣品7，參數如下：Dx=Dy=12 mm，R=5 mm，r=2 mm(貼片型)，導電體厚度為60 μm。經測定，當電磁波頻率達到1 GHz頻段以上時，織物的介電性已很小，這里將其屬性設置為真空。

圖6 實測與仿真結果對比Fig.6 Comparison of measured and simulation results

圖6示出實測與仿真結果的對比。從圖中可看出雖然2條透射系數曲線的諧振頻率相一致，均在22.8 GHz附近，但是透射系數的數值相差甚遠，在峰值處差距達到最大，分別為-12.2 dB和-38.9 dB。這一現象說明利用仿真的手段能夠預測諧振頻點的位置；對于二維織物基FSS，織物表面的粗糙度以及經緯紗按一定緊度的排列不會對諧振頻率帶來較大影響；增大導電層的電導率會使諧振峰值顯著增強。

2.3 織物基FSS的其他成形方法

上述實驗提供了一種二維織物基FSS的成形方法，而借鑒傳統電磁屏蔽織物的研究思路，在織物上獲得非完整導電層的技術方法還有很多。從選擇原料和成形工藝上看，主要分為利用局部金屬化技術在普通織物表面獲得周期導電單元，此時織物作為柔性基底；利用紡織品自成形技術，將非導電和導電絲或紗周期交織制得具有周期單元的織物，此時FSS結構鑲嵌在織物內部。

具體來講，可分為4種類型：1)導電物質直接在織物上形成導電圖案：即利用選擇性化學鍍，導電涂料絲網印花，導電長絲電腦繡花，掩模法氣相沉積金屬元素，掩模法離子濺射，導電墨水噴墨打印以及采用含導電粉體的熱塑性材料進行三維打印，導電纖維提花織造立絨、簇絨、間隔織物等方法，實現平面或立體的FSS圖案；2)導電層先形成圖案再復合到織物，即利用激光刻蝕、電腦刻繪機切割等方法將金屬箔、特別是帶有粘合層的金屬箔按照設計刻出圖案，再通過壓燙將金屬箔圖案粘合到織物，形成織物基FSS；3)導電層先復合到織物再形成圖案：利用激光或者刻繪機技術雕刻已復合好金屬箔層的織物，然后按照得到的FSS切割輪廓線，剝落多余的金屬箔，得到織物基FSS；或者將燙金紙熱熔粘結層與織物密貼，并用一個凸版加熱花輥加熱并施壓，使凸版花紋對應的粘結層熔融并粘接到織物上，而花輥的凹陷部分未實施粘接，此后再將燙金紙撕去，即在織物上留下與花輥凸起部分相同的導電圖案；4)紡織品自身成形技術：利用機織、針織或者編織等技術將普通長絲或紗線與導電絲或紗周期交織，形成織物基FSS。

從上面的分析可知，織物基FSS的成形技術是極其便利的，這為研究者提供了很好的實驗條件，可充分探討結構及材料參數對頻響特性的影響；同時可利用單一或者組合技術實現織物基FSS，結合實用條件確定最優工藝，為基于織物基FSS的產品開發提供技術保證。

3 織物基FSS的應用前景

通過對FSS研究基礎及上述實驗結果的分析和探討，證實了研究思路的有效性。利用傳統的數值求解及軟件模擬的手段能夠優化結構參數，確定材料屬性，以此指導織物基FSS的設計；利用多種成形技術能實現織物基FSS，并可依據相關國家標準進行測試和表征。綜上可知，對織物基FSS的深入研究和產品開發是完全可行的。

織物基FSS兼具頻率選擇特性與紡織材料的質輕、柔軟、剛度低等特點，使其在諸多領域具有較大的應用前景。一些研究學者對其應用進行了初步探討，如基于織物基FSS的吸波材料可集成到帳篷、服裝、裝飾制品等紡織品上，實現可移動軍事設施的電磁屏蔽與防護、軍事偽裝與隱身等多種功能；基于織物基FSS開發的電子織物天線可實現無線監控、快速定位等功能；新型織物基FSS可應用于通信窗，其結構簡單、安裝便捷、響應迅速等優點可滿足便攜性和靈活性的特殊需求等[21,23]。

對于織物基FSS的研究剛剛起步，真正實現規模性應用還需長期的努力。后期研究工作應圍繞以下幾方面展開：完善平面織物基FSS的研究體系，進一步探討設計及成形方法；過渡至曲面及三維立體FSS的結構與性能之間的關系、加工技術及測試評價方面的研究，拓展應用載體；結合特殊需求進行基于織物基FSS的產品開發，綜合考慮電磁功能性與力學或者熱濕等其他特性。

4 結 論

從對FSS研究基礎的總結分析、導電漿涂層印花的實驗探討以對織物基FSS的前景展望3個方面展開研究工作，得到了一些基本結論，主要有以下幾個方面。

1)FSS應用于柔性紡織材料的研究較少，而該方面的研究具有較強的實用價值和極其便利的基礎條件。

2)結構單元尺寸、方阻(金屬層導電性及厚度)會影響織物基FSS的頻率選擇特性，其他參數的影響規律需進一步探討。

3)傳統的FSS設計手段能夠為織物基FSS的設計提供參考，而借鑒于傳統電磁屏蔽的多種成形技術為實驗研究及產品開發提供了技術保證。

4)織物基FSS在吸波材料、電子織物天線、通信窗等領域具有較好的應用前景，但真正實現規模性應用還需研究者長期的努力。

FZXB

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Fabrication and application of fabric based frequency selective surface

GUAN Fuwang1，XIAO Hong2，SHI Meiwu1，2，WANG Fumei1

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.TheQuartemasterResearchInstituteoftheGeneralLogisticsDepartmentofthePLA,Beijing100010,China)

By analyzing the research status of traditional frequency selective surface,the necessity of research on novel fabric based frequency selective surface was illustrated.Conductive adhesive coating printing experiment was conducted to make fabric based circular-ring-shaped frequency selective surface samples and the transmission coefficients were tested using Shielding Room Method within the range of 18-26.5 GHz.The influence rules of internal radius and conductivity as well as coating thickness of metal layer on the transmission characteristics were compared and analyzed,and relevant experiment results confirmed the feasibility and validity to study fabric based frequency selective surface.Also,by comparing measured and simulated results,it could be found that conventional design methods applied to fabric based frequency selective surface to some extent.Based on the frequency response characteristics and the basic properties of textiles,such as lightweight,softness and low-rigidity features,the application prospects of fabric based frequency selective surface in wave-absorbing material,fabric antenna and communication window aspects were explored.

frequency selective surface; transmission coefficient; frequency response characteristics; electromagnetic functional fabric; metallization process

10.13475/j.fzxb.20151101308

2015-09-05

2015-12-08

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CUSF-DH-D-2015005)

關福旺(1988—)，男，博士生。主要研究方向為新型電磁功能紡織材料的設計和開發。施楣梧，通信作者，E-mail：shimeiwu@263.net.cn。

TS 106

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